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自适应振动式稻田株间柔性机械除草性能试验

吉林大学学报（工学版） 2024年第2期54卷 375-384页

作者：陈学深熊悦淞程楠马旭齐龙华南农业大学工程学院广州510642

为解决现有稻田株间机械除草作业性能严重依赖机具对行质量的问题,设计了一种无需避苗作业的株间除草机。该机采用双排柔性刷指作为除草部件,前排除草部件纵向梳刷拉拔杂草,同时对梳刷后稻株倒伏状态进行自动识别。后排除草部件横向振... 详细信息

为解决现有稻田株间机械除草作业性能严重依赖机具对行质量的问题,设计了一种无需避苗作业的株间除草机。该机采用双排柔性刷指作为除草部件,前排除草部件纵向梳刷拉拔杂草,同时对梳刷后稻株倒伏状态进行自动识别。后排除草部件横向振动拨耙杂草,同时根据前排识别结果实时控制振动作业的启停,用以兼顾除草率与伤苗率。基于触觉感知方法建立了稻株倒伏识别系统,通过气压传感器的电位变化获取稻株根系与前排刷指相互作用的力学反馈数据,以电位峰度及均值为辨识特征,基于支持向量机构建稻株倒伏与未倒伏辨识模型,实现稻株倒伏自动识别。应用液压马达构建了后排除草部件的横向振动系统,对前排除草部件作用下已倒伏稻株停止振动作业,实现振动作业的自适应控制。稻株倒伏识别田间试验表明:稻株倒伏识别精度为83.11%。除草模式对比试验结果表明:无感知振动模式的除草率为58.11%,伤苗率为21.39%;无感知无振动模式的除草率为27.89%,伤苗率为4%;有感知振动模式的除草率为56.17%,伤苗率为5.83%。综合试验结果可知,有感知振动除草模式更适宜稻田株间杂草机械防控的生产要求。

关键词：农业工程与信息技术水稻机械除草株间辨识

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立式旋转智能株间机械除草装置设计与试验

江苏大学学报（自然科学版） 2021年第5期42卷 582-588页

作者：权龙哲王旗张景禹冯槐区吴冰东北农业大学工程学院黑龙江哈尔滨150030

为满足玉米苗株间机械除草作业需求,设计了一种基于立式旋转机构的智能株间机械除草装置.对除草装置的总体结构和避苗除草原理进行了阐述,通过理论分析和EDEM仿真试验,对除草装置的关键部件进行参数设计,并对除草刀的土壤铲切性能进行... 详细信息

为满足玉米苗株间机械除草作业需求,设计了一种基于立式旋转机构的智能株间机械除草装置.对除草装置的总体结构和避苗除草原理进行了阐述,通过理论分析和EDEM仿真试验,对除草装置的关键部件进行参数设计,并对除草刀的土壤铲切性能进行仿真评估.以作业速度、除草刀角度和入土深度为试验因素,以除草率和伤苗率为评估指标进行正交试验.结果表明:各因素对指标影响的主次顺序依次为作业速度、入土深度和除草刀角度;最优水平组合为作业速度0.5 m·s-1,入土深度50 mm,除草刀角度60°;以最优水平组合进行田间除草试验,平均除草率为89.57%,平均伤苗率为4.54%.

关键词：除草装置株间除草机械除草玉米立式

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智能化作物株间机械除草技术分析与研究

农机化研究 2019年第6期41卷 1-6,12页

作者：伍同曾山赵润茂唐灵茂杜攀姚腊梅华南农业大学工程学院/南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室广州510642

非化学除草方式是生产有机农产品的前提,传统的机械中耕除草技术可有效去除行间杂草,但株间杂草密集度大且分布区域不连续,目前以人工除草为主,效率低且劳动成本高。机械除草作为化学除草的有效替代,除草高效且无化学药剂残留,符合绿色... 详细信息

非化学除草方式是生产有机农产品的前提,传统的机械中耕除草技术可有效去除行间杂草,但株间杂草密集度大且分布区域不连续,目前以人工除草为主,效率低且劳动成本高。机械除草作为化学除草的有效替代,除草高效且无化学药剂残留,符合绿色精准农业的发展要求,引起国内外众多学者的关注。为此,介绍了传统除草技术及株间除草技术的现状,重点介绍了国内外株间除草装置的关键部件与智能化系统,并分析比较了各种除草技术的优势与不足,最后对智能化作物株间机械除草技术作了总结和展望。

关键词：机械除草智能化株间

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果园株间机械除草技术研究进展与分析

农机化研究 2020年第10期42卷 1-8,16页

作者：杨硕李法德闫银发董岩郭家乐宋占华山东农业大学机械与电子工程学院山东泰安271018 山东省园艺机械与装备重点实验室山东泰安271018 日照钢铁有限公司山东日照276806

传统的果园除草机主要进行行间除草,但果树株间为非连续区域,株间机械除草难度较大。果园株间除草机可对果树行间和株间同时进行除草,作业效率高,除草彻底。为此,主要对近年来国内外株间除草机研究现状进行介绍,对避障装置、除草装置、... 详细信息

传统的果园除草机主要进行行间除草,但果树株间为非连续区域,株间机械除草难度较大。果园株间除草机可对果树行间和株间同时进行除草,作业效率高,除草彻底。为此,主要对近年来国内外株间除草机研究现状进行介绍,对避障装置、除草装置、驱动方式、工作速度等几个关键技术进行分析和比对,强调高效稳定的避障装置是果园株间除草机的核心。在此基础上,提出了果园农机、农艺与信息技术深度融合发展,研究了高效稳定的避障装置。结果表明:小型化模块化设计将是果园株间除草机的未来发展趋势,适应稳定作业要求的株间避障技术和高速、高效的机械除草技术,是我国果园株间机械除草的研究重点。

关键词：果园株间除草机械除草避障

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作物株间机械除草技术的研究现状

农机化研究 2017年第1期39卷 243-250页

作者：刘文徐丽明邢洁洁史丽娜高振铭袁全春中国农业大学工学院北京100083

作物行间除草技术和装备已趋于成熟,而株间除草技术由于受到作物识别与定位技术的限制,至今仍是一个研究热点。为此,针对株间机械除草,国内外均从纯机械的株间除草机开始研究,后得益于传感器技术和计算机技术的发展,自动控制逐渐得以应... 详细信息

作物行间除草技术和装备已趋于成熟,而株间除草技术由于受到作物识别与定位技术的限制,至今仍是一个研究热点。为此,针对株间机械除草,国内外均从纯机械的株间除草机开始研究,后得益于传感器技术和计算机技术的发展,自动控制逐渐得以应用。目前,研究最多的是基于机器视觉和GPS导航的株间除草技术,而作物识别与定位依然是研究的关键点和难点。未来将着力研究用于杂草和作物检测的传感器技术,并利用"互联网+"、大数据、云计算等技术,以期实现作物株间除草的在线控制,进而实现全过程自动化。

关键词：株间机械除草作物识别与定位

高效型水田行-株间同步机械除草装置设计与试验

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农机化研究 2021年第10期43卷 78-82页

作者：刘闯齐龙马旭蒋郁华南农业大学工程学院广州510642 华南农业大学现代教育技术中心广州510642

为了有效去除水稻行间、株间杂草,提高机械除草的作业效率,研制了一种高效型水田行-株间同步机械除草装置。该装置与水田插秧机底盘配套,分别配备株间和行间除草部件,可同时对株间、行间杂草及土壤进行剪切、翻耕,并采用二级仿形机构配... 详细信息

为了有效去除水稻行间、株间杂草,提高机械除草的作业效率,研制了一种高效型水田行-株间同步机械除草装置。该装置与水田插秧机底盘配套,分别配备株间和行间除草部件,可同时对株间、行间杂草及土壤进行剪切、翻耕,并采用二级仿形机构配合除草部件完成作业。田间试验结果表明:影响除草率和伤苗率的主次顺序均为前进速度>除草轮类型;随着机具前进速度增加,除草率和伤苗率均先降后升。综合试验结果表明:伞状除草轮(A)平均除草率最高,在0.7m/s和1.0m/s前进速度下,株间平均除草率为74.6%,整机平均除草率为83.6%,平均伤苗率为1.6%,符合水稻田机械除草作业的技术指标。

关键词：水稻水田除草装置机械除草高效

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稻田避苗机械除草关键技术研究

稻田避苗机械除草关键技术研究

作者：陈涛华南农业大学

学位级别：硕士

在稻田生态系统中,杂草与水稻争夺生长空间、肥料养分、光照、热等资源,是影响水稻产量下降和品质降低重要原因之一。有效的控制杂草生长是水稻生长过程中的重要环节。施用化学除草剂是目前应用广泛的一种杂草防控方式,长期、大量、高... 详细信息

在稻田生态系统中,杂草与水稻争夺生长空间、肥料养分、光照、热等资源,是影响水稻产量下降和品质降低重要原因之一。有效的控制杂草生长是水稻生长过程中的重要环节。施用化学除草剂是目前应用广泛的一种杂草防控方式,长期、大量、高频的施药会造成杂草抗药性、药害、环境污染等负面问题。为此,大力发展机械除草是保证农业可持续发展的关键。然而,在实际作业中,苗带弯度变化引起除草执行部件伤苗问题,严重制约了机械除草技术的发展。因此,开展稻株识别与定位技术研究,对除草执行部件的作业路径实施差异化的调控,实现避苗机械除草是十分必要与迫切的。根据水稻与杂草在除草期内的生理特点,提出触觉方式实现稻株识别与定位,进而获得避苗调控量;在此基础上,构建四杆机构的液压调控系统,完成基于触觉感知的自动避苗控制系统;并针对该系统,设计了一种适宜横向调控作业的刚-柔复合式除草轮。将感知、控制及执行等关键技术集成实现自动避苗机械除草,并对工作性能进行了土槽试验,验证了该避苗技术的可行性。主要研究内容及结论如下:（1）进行了避苗调控量感知系统的研究,分析了除草期内稻株和杂草的生理特性差异,提出了利用弯曲传感器作为感知梁对稻株进行识别、定位的条件;对除草期水稻基茎部抗弯力进行了测试,获得了相应稻株识别的基础数据;通过稻株与感知传感器的力学分析,确定了避苗调控量测量装置的结构参数,并搭建了标定平台,根据标定数据拟合了测量装置前、后排弯曲传感器的弯曲量与横向偏量的函数关系,为避苗控制系统提供了基础数据。（2）进行了避苗控制系统研究,根据水田机械除草避苗原理,设计了一套四杆液压调控系统;通过对调控机构的建模分析,确定了拉杆长度L=200mm,拉杆间距为a=1000mm,左右最大横向调节角度为α=30°,最大横向调节量为h=100mm,并建立了液压杆伸缩量与横向避苗调控量的数值模型,为除草执行部件作业路径调控提供了决策。（3）进行了刚-柔复合式除草轮的设计,根据机械除草原理及实况,选择刚性除草轮背切面弧线为阿基米德螺线,并确定了最佳比例常数K=31;利用MATLAB软件求解出切削刃最优滑切角λ=67;采用ADAMS View运动学仿真软件对刚性除草轮进行运动学仿真分析,获得单除草刀片的除草宽度为62mm,计算除草刀片最优布置数量为N=11。在此基础上,针对刚性除草部件作业特点,设计了主动式柔性除草部件,并确定了其相关参数。（4）针对自动避苗系统,进行了土槽性能试验,选取除草率和伤苗率为试验指标,以除草深度、柔性除草轮转速及行进速度为试验因素,进行了三因素三水平的正交试验。结果表明:当除草深度为60mm,柔性除草轮转速为2r/s,行进速度为0.6m/s时,除草率达到82.5%,伤苗率为3.5%,达到了水稻除草的农艺要求。

关键词：水稻机械除草触觉感知调控机构自动避苗

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稻田机械除草避苗控制系统关键技术研究

稻田机械除草避苗控制系统关键技术研究

作者：黄柱健华南农业大学

学位级别：硕士

杂草与作物竞争阳光、空间、水分及养分,是导致作物产量降低及品质下降的主要因素。施用化学除草剂是目前应用最广泛高效的除草方式,却也引发了诸如食品安全、环境污染等负面问题。近年来,机械除草技术作为一种安全、环保、高效的除草方... 详细信息

杂草与作物竞争阳光、空间、水分及养分,是导致作物产量降低及品质下降的主要因素。施用化学除草剂是目前应用最广泛高效的除草方式,却也引发了诸如食品安全、环境污染等负面问题。近年来,机械除草技术作为一种安全、环保、高效的除草方式,成为解决化学除草负面问题的重要手段。然而,传统机械除草执行部件难以根据苗带弯度的变化而改变,导致行间除草伤苗严重,制约了机械除草技术及装备的发展。因此,开展水稻苗带识别,对除草执行部件的作业路径实施差异化调控,实现避苗控制,是降低伤苗率亟需解决的关键问题。为使水稻机械除草部件作业时能避开秧苗、降低伤苗率,本文设计了一种基于机器视觉与模糊控制的避苗控制系统。利用遗传算法优化灰度算子并对秧苗图像进行灰度化,运用图像投影法对水平条区域内的秧苗进行特征提取及图像坐标定位,采用基于2σ准则改进最小二乘法拟合秧苗得到苗带线,提取苗带中心线,通过小孔成像模型转换,获得秧苗的地面坐标位置及除草部件中心与苗带中心线的距离。运用模糊控制算法对液压纠偏系统进行控制,实现了除草部件自动避苗控制。主要研究内容及结论如下:（1）水田环境下的稻株识别。为了适应水田环境下稻株的识别与定位,进行了颜色模型筛选,确定了面向水田环境的适宜颜色空间。进行了不同算子的图像灰度化效果比较,提出并实现了基于遗传算法的图像灰度化处理。进行了图像降噪技术研究,通过滤波、形态学等技术,实现稻株的有效识别。（2）苗带中心线提取。为实现田间苗带的精准识别与提取,采用了垂直投影法对划分水平条的秧苗进行识别与定位;分析了常用的苗带线提取算法,提出了基于2σ准则改进最小二乘法对苗带线进行拟合,于水田环境下,进行了苗带线提取的精度试验;依据苗带线获取了苗带中心线。（3）避苗控制系统设计。为使水稻机械除草部件作业时能避开秧苗、降低伤苗率,研究了避苗控制系统的工作原理,确定了避苗控制系统的硬件组成及型号的选择,设计了避苗控制系统的软件控制程序,提出了基于模糊控制的避苗控制算法,根据横向偏差及横向偏差变化率的参数特征选择隶属函数,确定了模糊控制规则,并建立了模糊PID控制算法的仿真模型。仿真结果表明:避苗控制系统达到稳态的响应时间约为0.2 s。（4）避苗控制系统性能试验。为验证苗带中心线拟合的性能,进行了图像处理系统的性能试验。试验结果表明:在不同移栽天数、不同行进速度和不同稻苗株距下,苗带中心线拟合的最大误差均不超过2.25cm,平均误差均不超过0.86cm,系统具有较高的拟合精度。为验证避苗作业的性能,进行了控制系统的土槽试验,以伤苗率为评价指标,考察了不同移栽天数、株距和行进速度下的作业效果。试验结果表明,影响伤苗率的主次因素顺序为:移栽天数＞稻苗株距＞行进速度;最优组合为:移栽天数10d,稻苗株距18cm,行进速度1.2m/s,此时伤苗率为2.27%。

关键词：水稻机械除草试验设计避苗控制中心线提取

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水田行株间同步机械除草装置设计与试验

水田行株间同步机械除草装置设计与试验

作者：刘闯华南农业大学

学位级别：硕士

在水稻生产中,农田杂草是影响作物产量的主要因素之一,而除草又是田间管理的一项重要且繁重的工作,具有季节性较强、除草期短、用工量大等特点。机械除草作为一种环境友好的除草方式,在除草过程中能翻动土壤,增加水稻根系土壤的含氧量,... 详细信息

在水稻生产中,农田杂草是影响作物产量的主要因素之一,而除草又是田间管理的一项重要且繁重的工作,具有季节性较强、除草期短、用工量大等特点。机械除草作为一种环境友好的除草方式,在除草过程中能翻动土壤,增加水稻根系土壤的含氧量,对水稻的生长起到了良好的促进作用。此外,与化学除草、人工除草相比,机械除草具有环境污染小、劳动成本低等优点。然而由于水田环境的复杂性和水稻密植的农艺特点,株间杂草的机械防除是水稻机械除草的最大难点。本文在分析国内外水田机械除草技术研究的基础上,针对株间机械除草存在的技术难点,围绕株间机械除草机理、关键部件与整机结构设计等内容开展理论分析与试验研究工作,创新研制出水田行株间同步除草装置。主要研究内容及结论如下:（1）水稻机械除草关键部件的设计与仿真。根据水田杂草生长特性,研究了株间机械除草机理;通过轮齿运动轨迹分析,确定了除草轮结构参数;利用离散元分析软件EDEM对除草轮与水田土壤的相互作用进行动力学仿真分析,比较相同工作参数下轮齿受力情况和土壤扰动程度,优选出最优的轮齿结构。仿真结果表明:在相同倾角的条件下,8齿除草轮所受的土壤作用力最大值和平均值均小于6齿除草轮;在相同齿数的条件下,除草轮受土壤作用力的平均值随着倾角增大呈增大的趋势。当齿数相同时,除草轮倾角越大,扰动程度越大;当倾角相同时,除草轮齿数越多,扰动程度越大。为选取除草轮最优的因素水平组合,建立一个综合评分标准,得出评分最高的结构参数组合为倾角35°的8齿除草轮,此时与土壤接触作用时最大应力为9.19N,平均应力为4.69N,扰动的土壤图像像素面积为61.87cm。在此基础上,探究除草轮工作时不同前进速度对除草效果的影响,以前进速度为影响因子对除草轮与土壤作用进行仿真分析,得到前进速度与土壤扰动程度的影响规律。仿真结果表明土壤扰动程度随前进速度增大而增大,前进速度越大土壤扰动变化越剧烈,当前进速度为0.9m/s时土壤扰动程度最大,受扰动的土壤图像像素面积为73.19cm。（2）水田行株间同步除草装置的设计。针对机械除草过程中存在机具适应性差、除草率低和伤苗率高等问题,设计了一种二级仿形机构,用以提高装置适应性;根据水稻机插秧苗带分布特点,结合行间、株间除草部件及二级仿形机构,设计了除草单体,利用离散元分析软件EDEM对除草单体工作部件与水田土壤相互作用进行了动力学仿真分析。仿真结果表明:随着两个株间除草轮相对距离的增加,土壤受扰动程度增大。在相对距离为200mm时,除草单体工作部件产生的土壤扰动程度最大,扰动的土壤图像面积为112.35cm。设计了除草机整机结构,整机长度为100cm,宽度为200cm,抬升高度为50cm;整机配备7个单体,一次除草作业6行;该机主要用于大田初期机械除草,除草作业速度为0.7～1.3cm/s,可同时去除行间杂草和株间杂草,减少机具在田间的作业次数,降低对秧苗的损伤。（3）机械除草性能田间试验研究。为探究水田实际环境下机具不同工作参数下的除草效果,以机具前进速度和除草轮类型为试验因素,以除草率与伤苗率为试验指标,采用全因素试验法对除草装置进行了田间试验,分析了影响其工作性能的相关因素,选出较优工作参数组合。试验结果表明:影响除草率和伤苗率的主次顺序均为前进速度>除草轮类型,随着机具前进速度增加,除草率和伤苗率均先降后升。考虑除草率及性能的稳定性,在三种前进速度下,采用3D打印塑料材质、轮齿长5cm的伞状除草轮A平均除草率最高、性能最稳定;若同时考虑伤苗率的因素,得出伞状除草轮A在1.0m/s的前进速度下为较优的参数组合,此时株间除草率为78.8%,株间伤苗率为0.2%,整机除草率为91.6%。此外,根据机具最优作业速度和幅宽可测得该装置完全配置时（7行）作业效率为0.4～0.6hm/h。

关键词：机械除草水田除草装置行-株间除草水稻